多极板电容成像检测技术原理与应用研究

发布时间：2020-05-17 11:25

【摘要】：针对非金属材料缺陷深度的检测需求,本论文在单极板电容成像检测技术原理的基础上,引入多极板电容成像检测技术,实现对非金属材料缺陷深度的定位,检测速度在原有基础上显著提高。采用理论分析、数值仿真和实验研究相结合的方法,重点构建多极板电容成像检测技术理论模型,从多极板电容成像探头检测灵敏度分布入手,分析影响多极板电容成像探头成像性能的参数,对多极板电容成像探头进行优化设计,利用已优化设计的探头对缺陷的深度进行定位检测,并开发检测系统进行实验研究。论文主要从以下四个方面展开研究:(1)多极板电容成像检测技术理论研究介绍了电容的边缘效应、敏感场的数学描述、正反问题等基本理论。利用COMSOL对多极板电容成像检测技术进行机理研究并建立多极板电容成像探头和含缺陷试件的整体仿真模型,得到的仿真结果验证了多极板电容成像检测技术的可行性。借助理论模型和仿真模型分析缺陷(介电常数)-静电场之间的关系,为后续多极板电容成像探头性能分析与参数优化奠定了基础。(2)多极板电容成像传感器性能与设计参数研究利用COMSOL Multiphysics对多极板电容传感器的信号强度、穿透深度、成像分辨率和灵敏度分布进行分析研究,并探究极板面积、极板形状、极板底衬厚度、极板间距、极板大小及屏蔽电极对传感器性能指标的影响,为后续传感器的优化设计及实验检测装置的开发提供依据。(3)多极板电容成像传感器设计提出了多极板电容成像传感器的设计原则与方法。并据此设计了两种多极板电容成像探头,即一种用于非金属材料缺陷检测的探头和一种用于防腐层下缺陷检测的探头。仿真分析结果表明这两种电容成像探头大致符合设计要求,为下一步电路板的设计和实验检测装置的搭建提供了依据。(4)多极板电容成像检测系统开发与应用根据仿真模型优化设计的具体参数,设计基于多极板电容成像技术的检测系统。多极板电容成像检测系统主要包括多极板电容成像探头、X-Y扫描平台、步骤监测控制器、信号发生器、电荷放大器、锁相放大器、数字示波器、计算机和LabVIEW控制采集程序。重点开发一套非金属材料缺陷检测系统和一套防腐层下缺陷检测系统,分别用于检测非金属材料缺陷和防腐层下缺陷。
【图文】：

几何模型

理场[59]。用户可以快速地建立物理仿真模型，COMSOLMultiphysics 定义仿真方便，模型尺寸、材料属性、边界条件及源项等可以为常数、任意变量的函数表达式等。除此之外，它还含有预定义的物理场应用模式，用户可以根据实际地选择物理场并定义它们之间的关系；用户也可以根据需要输入推导出的偏微，，并指定它与其它方程或物理量之间的关系。COMSOL Multiphysics 分析流程图如图 2-6 所示。首先对实际工程问题进行分根据分析的结果运用 COMSOLMultiphysics 依次建立几何模型、设置材料属性理场、网格划分、求解设置和后处理，最后对结果进行研究判断。如果结果符就解决了此工程问题；如果结果不符合逻辑，就要提出改进方法，对仿真分析一个步骤或几个步骤进行修改，再对修改过的模型进行结果判断，直到得出合解决问题为止。1 建立几何模型

铜材料,空气层

如图 2-7（a）所示；试件模型建立过程中用到的域操作有长方体、圆柱分割操作有复制、移动、拷贝和差集，如图 2-7（b）所示；空气层模型的域操作只有长方体，具体尺寸见表 2-1；最后用组合体命令把多极板型、试件模型和空气层模型组成一个组合体，如图 2-7（c）所示。表 2-1 空气层尺寸参数Table 2-1 The size of the air layer长/mm 宽/mm 高/mm290 210 20料属性表 2-2 材料参数Table 2-2 The material parameters材料相对介电常数相对磁导率电导率（S/m）空气 1 1 10铜 1 1 5.9e7有机玻璃 4.2 1 1e-14树脂复合材料 4 1 4e-3
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH878

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